ES2585566T3 - Procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta, comprendiendo el procedimiento: alimentar a un intercambiador de calor (30) un fluido de fase mixta que comprende un vapor y al menos uno de entre un líquido arrastrado y un sólido arrastrado, comprendiendo el intercambiador de calor (30): una envuelta (44) que tiene una entrada de fluido (46) y una salida de fluido (48); intercambiar indirectamente calor entre el fluido de fase mixta y un medio de intercambio de calor; caracterizado por que el intercambiador de calor comprende una pluralidad de deflectores (50) montados en la envuelta (44) para guiar el fluido según un patrón de flujo helicoidal a través de la envuelta (44); convertir el fluido de fase mixta en esencialmente todo vapor; en donde un ángulo de hélice α de un deflector próximo a la entrada de fluido (46) mantiene una velocidad del fluido de fase mixta mayor que una velocidad terminal de líquido o sólido arrastrado; y en donde un ángulo de hélice β de un deflector próximo a la salida de fluido (48) es mayor que el ángulo de hélice α del deflector próximo a la entrada de fluido (46).
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta.
Antecedentes del descubrimiento
Campo del descubrimiento
Las realizaciones reveladas en esta memoria se refieren en general a un procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta segun el preambulo de la reivindicacion 1. El documento US 470060 revela un procedimiento de esta clase. Mas espedficamente, las realizaciones reveladas en esta memoria se refieren a un procedimiento que comprende alimentar un fluido de fase mixta a un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de envuelta y tubos configurado para procesar eficientemente un flujo de dos fases.
Antecedentes
Se conocen numerosas configuraciones de intercambiadores de calor que se utilizan para una diversidad de aplicaciones. Una de las configuraciones ampliamente utilizadas, un intercambiador de calor de envuelta y tubos, como se ilustra en la figura 1, incluye una envuelta cilmdrica 10 que aloja un haz de tubos paralelos 12 que se extienden entre dos placas extremas 14 de modo que un primer fluido 16 puede pasar por los tubos 12. Mientras tanto, un segundo fluido 18 fluye en y a traves del espacio entre las dos placas extremas para entrar en contacto con los tubos. Para proporcionar un intercambio de calor mejorado entre los dos fluidos, el trayecto de flujo del segundo fluido 18 esta definido por unos deflectores intermedios 20 que forman unos respectivos pasos que estan dispuestos de modo que el segundo flujo de fluido cambia su direccion al pasar de un paso al siguiente. Los deflectores 20, configurados como segmentos circulares parciales segun se muestra (deflectores segmentales parciales) o como aros anulares y discos, se instalan perpendicularmente a un eje longitudinal 22 de la envuelta 10 para proporcionar un flujo en zigzag 24 del segundo fluido 18.
En esta disposicion el segundo fluido tiene que cambiar bruscamente la direccion de su flujo varias veces a lo largo de la longitud de la envuelta. Esto provoca una reduccion en la presion dinamica del segundo fluido y una velocidad de flujo no uniforme del mismo, las cuales, en combinacion, afectan adversamente a las prestaciones del intercambiador de calor. Por ejemplo, una posicion perpendicular de los deflectores con relacion al eje longitudinal de la envuelta da como resultado una tasa de transferencia de calor/relacion de cafda de presion relativamente ineficiente. Ademas, tales disposiciones de deflectores producen una derivacion del flujo a traves de holguras de deflector a envuelta y de tubo a deflector, dando como resultado mala distribucion del flujo, vortices, contraflujo y mayores tasas de ensuciamiento, entre otras consecuencias no deseadas.
La cafda de presion, la distribucion de flujo y las eficiencias de transferencia de calor son variables importantes, especialmente en muchos procesos qmmicos industriales en los que se desea una reaccion en fase de vapor entre corrientes de alimentacion de fase lfquida y corrientes de producto. Ejemplos de procesos pueden incluir reformacion de nafta, hidrotratamiento de nafta, hidrotratamiento de diesel y queroseno, isomerizacion y metatesis de hidrocarburos ligeros y muchos otros procesos industrialmente importantes. Tales procesos incluiran tfpicamente un equipo de intercambio de calor de alimentacion/efluente, en el que el calor requerido para vaporizar la corriente de alimentacion del reactor es recuperado por condensacion o condensacion parcial del efluente del reactor. Tal equipo de transferencia de calor ha sido dispuesto historicamente como intercambiadores de calor de envuelta y tubos convencionales horizontales.
El aumento de las capacidades de diseno unitario (econoirna de escala) requiere un gran caudal volumetrico con un impacto resultante en el numero de envueltas requeridas para transferir el calor a los limitados diferenciales de temperatura. Sin embargo, debido a las cuestiones hidraulicas del flujo, es decir, flujo de entrada de dos fases, composicion variable y peso molecular variable de las fases de vapor y de lfquido y flujo volumetrico y cafda de presion variables resultantes del cambio de fase, la disposicion de envueltas de intercambiador convencionales en varias disposiciones en paralelo y en serie es problematica. Una tubena simetrica es un medio poco fiable para efectuar una particion del flujo de dos fases. Dado que el peso molecular del vapor puede ser mucho mas bajo que el del lfquido asociado, especialmente en servicios de hidrotratamiento en los que el vapor esta compuesto en gran parte de hidrogeno, la mala distribucion del vapor con el lfquido que entra en un intercambiador puede tener un marcado impacto sobre la curva de ebullicion asociada y, en consecuencia, sobre la diferencia de temperatura media (MTD) de la operacion de ebullicion.
El concepto de intercambiador de calor de alimentacion/efluente combinado vertical (VCFE) se desarrollo para superar estos inconvenientes integrando grandes superficies en una sola envuelta vertical. Tales unidades se han desplegado comercialmente en diferentes configuraciones incluyendo: ebullicion del lado de los tubos/condensacion del lado de la envuelta en un solo diseno de deflectores segmentales; condensacion del lado de los tubos/ebullicion del lado de la envuelta en un solo diseno de deflectores segmentales; ebullicion del lado de los tubos/condensacion del lado de la envuelta en un diseno de deflectores helicoidales; condensacion del lado de los tubos/ebullicion del lado de la envuelta en un diseno de deflectores helicoidales. Intercambiadores con deflectores helicoidales se
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describen, por ejemplo, en las patentes US Nos. 5.832.991, 6.513.583 y 6.827.138.
Sobre una base teorica, se favorece la ebullicion del lado de la envuelta para reducir la superficie requerida, ya que el coeficiente de ebullicion del lado de la envuelta es reforzado por el volumen relativamente mayor del lado de la envuelta debido a efectos de transporte de masa. Sin embargo, se tienen que abordar consideraciones de ensuciamiento, ya que el lado de los tubos sera normalmente mas facil de limpiar.
Se considera que un inconveniente de la disposicion de ebullicion del lado de la envuelta reside en un funcionamiento a carga parcial o de reduccion de flujo, en el que las velocidades del lado de la envuelta pueden no ser suficientes para impedir una separacion de fases y un contraflujo de la fraccion de lfquido volviendo hasta la entrada. Tal acumulacion de una fraccion de lfquido pesado con alto tiempo de residencia puede producir ensuciamiento.
El inconveniente principal de cualquier disposicion de ebullicion del lado de los tubos es que las fracciones de vapor y de lfquido tienen que distribuirse uniformemente en cada una de una multiplicidad de entradas de tubo a fin de mantener las caractensticas de ebullicion esperadas en cada tubo, y no se ha encontrado un metodo barato y de baja cafda de presion para conseguir esta distribucion.
Por consiguiente, existe la necesidad de un procedimiento de intercambio de calor en el que se alimente un fluido de fase mixta a un intercambiador de calor con un diseno de deflectores para procesar efectivamente un flujo de entrada de dos fases en unidades verticales.
Sumario del descubrimiento
En un aspecto, las realizaciones reveladas en la presente memoria se refieren a un procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta, incluyendo el procedimiento: alimentar un fluido de fase mixta que comprende un vapor y al menos uno de entre un lfquido arrastrado y un solido arrastrado a un intercambiador de calor, incluyendo el intercambiador de calor: una envuelta que tiene una entrada de fluido y una salida de fluido; una pluralidad de deflectores montados en la envuelta para guiar el fluido formando un patron de flujo helicoidal a traves de la envuelta; convertir el fluido de fase mixta en esencialmente todo vapor; e intercambiar directamente calor entre el fluido de fase mixta y un medio de intercambio de calor; en donde un angulo de helice a de un deflector proximo a la entrada mantiene una velocidad del fluido de fase mixta mayor que una velocidad terminal del lfquido o solido arrastrado; y en donde un angulo de helice p de un deflector proximo a la salida es mayor que el angulo de helice a del deflector proximo a la entrada.
Segun una realizacion, la conversion comprende evaporar el lfquido arrastrado.
Segun una realizacion, la conversion comprende quemar el solido arrastrado.
Segun una realizacion, el angulo de helice a esta dentro del intervalo de aproximadamente 5° a aproximadamente 35° y el angulo de helice p esta dentro del intervalo de aproximadamente 15° a aproximadamente 45°.
Otros aspectos y ventajas resultaran evidentes por la descripcion siguiente y las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una vista diagramatica de distribucion de flujo en un intercambiador de calor de envuelta y tubos convencional.
La figura 2 es un dibujo esquematico de un intercambiador de calor combinado vertical de alimentacion/efluente con angulo de deflector de calor variable utilizado en un procedimiento segun las realizaciones reveladas en esta memoria.
Descripcion detallada
En un aspecto, las realizaciones de esta memoria se refieren en general a un procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta que comprende alimentar un fluido de fase mixta a un intercambiador de calor. Mas espedficamente, las realizaciones reveladas en esta memoria se refieren a un procedimiento en el que se alimenta un fluido de fase mixta a un intercambiador de calor, tal como un intercambiador de calor de envuelta y tubos, configurado para procesar eficientemente un flujo de dos fases. Aun mas espedficamente, las realizaciones reveladas en esta memoria se refieren a un procedimiento en el que se alimenta un fluido de fase mixta a un intercambiador de calor que tiene deflectores configurados para dirigir un flujo de fluido del lado de la envuelta en un patron de flujo helicoidal, en donde el angulo de helice de un deflector proximo a la entrada es diferente de un angulo de helice de un deflector proximo a la salida.
Se ha encontrado que los intercambiadores de calor que tienen deflectores con un angulo de helice variado utilizados en procedimientos segun la realizaciones reveladas en esta memoria son utiles para fluidos del lado de la
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envuelta que sufren un cambio de fase, tal como evaporacion, condensacion, combustion y similares. Por ejemplo, para un flujo de entrada de dos fases, tal como una mezcla de lfquido en vaporacion-vapor, se pueden prever angulos de helice proximos a la entrada para mantener una velocidad de fluido suficiente a fin de evitar una separacion de fases del vapor y del lfquido. El angulo de helice de deflectores proximos a la entrada de fluido del lado de la envuelta puede estar cerca de una posicion perpendicular a los tubos, haciendo asf que el denso fluido entrante se arremoline a una alta velocidad. Cuando se vaporiza el lfquido debido a transferencia de calor dentro del intercambiador, el angulo de helice de los deflectores puede estar mas lejos de la perpendicular, tal como para deflectores mas proximos a la salida del lado de la envuelta, proporcionando intercambio de calor a velocidades mas bajas para el vapor menos denso y una cafda de presion relativamente baja a traves del intercambiador de calor.
Dado que la separacion de fases (vapor-lfquido, vapor-solido, etc.) es una funcion de las densidades relativas, el tamano de partfculas y/o de gotitas y la velocidad de la fase de vapor, los intercambiadores que tienen deflectores con un angulo de helice variados segun realizaciones reveladas en esta memoria no estan sometidos a separacion de fases en el lado de la envuelta con el mismo caudal que se producina para un intercambiador de calor dotado de un angulo de deflector constante. Por consiguiente, los intercambiadores de calor dotados de deflectores con un angulo de helice variado utilizados en procedimientos segun realizaciones reveladas en esta memoria pueden utilizarse a niveles de caudal significativamente reducidos, evitando asf los inconvenientes tfpicos asociados con intercambiadores de calor verticales que operan a carga parcial o con funcionamiento de reduccion de flujo.
El angulo de helice utilizado para los deflectores proximos a la entrada y la salida del lado de la envuelta puede depender del tipo de funcionamiento. En un ejemplo que no forma parte de las realizaciones del presente descubrimiento, para una mezcla de fluido que incluye un vapor y un lfquido en evaporacion o un solido en combustion, el angulo de helice de deflectores proximos a la entrada puede ser mayor que el angulo de helice de deflectores proximos a la salida. De esta manera, la velocidad de la mezcla de dos fases puede mantenerse mayor que una velocidad de transporte del solido o lfquido arrastrado, evitando asf una separacion de fases. A medida que se vaporiza el fluido o se quema el solido, se puede utilizar un angulo de helice mas pequeno. En otros ejemplos que no forman parte de realizaciones del presente descubrimiento, el angulo de helice puede disminuir gradualmente a lo largo de la longitud longitudinal de la envuelta. Segun realizaciones reveladas en esta memoria, para una alimentacion de entrada que incluya un vapor que se debe condensar dentro del intercambiador de calor, el angulo de helice de deflectores proximos a la entrada del lado de la envuelta es menor que el angulo de helice de deflectores proximos a la salida del lado de la envuelta, aumentando asf la velocidad de la mezcla durante la operacion de condensacion.
Haciendo ahora referencia a la figura 2, se ilustra un dibujo esquematico de un intercambiador de calor combinado vertical de alimentacion/efluente que tiene deflectores con angulo de helice variados utilizado en procedimientos segun realizaciones reveladas en esta memoria. El intercambiador de calor 30 puede incluir un colector 32 de entrada del lado de los tubos con una entrada de fluido 34 formada en el mismo. El colector 32 de entrada del lado de los tubos puede tener tambien un respiradero 36 dispuesto en el mismo. El intercambiador de calor 30 puede incluir tambien un colector 38 de salida del lado de los tubos que tiene una salida de fluido 40 formada en el. Una pluralidad de tubos 42 pueden extenderse entre el colector 32 de entrada y el colector 38 de salida del lado de los tubos, permitiendo el transporte de un fluido desde el colector de entrada 32 hasta el colector de salida 38 a traves de los tubos 42. La figura 2 ilustra el uso de cuatro tubos, pero ha de entenderse que puede utilizarse cualquier numero de tubos.
Una envuelta 44 se extiende entre los colectores de entrada y salida 32, 38, confinando los tubos 42, e incluye una entrada de fluido 46 del lado de la envuelta y una salida de fluido 48 del lado de la envuelta. Dentro de la envuelta 44 esta situada una pluralidad de deflectores 50. Los deflectores 50 pueden incluir, por ejemplo, deflectores helicoidales como los descritos en las patentes US Nos. 5.832.991, 6.513.583 y 6.827.138. Los deflectores 50 pueden incluir orificios de tubo (no mostrados) para permitir que pasen los tubos 42 a traves de los deflectores 50 y para permitir que los deflectores 50 retengan los tubos 42 en una localizacion alineada y deseada. Los deflectores 50 pueden actuar guiando el fluido del lado de la envuelta segun un patron de flujo helicoidal a traves de la envuelta.
Los deflectores 50 estan dispuestos dentro del intercambiador de calor 30 de tal manera que los deflectores 50 proximos a la entrada 46 del lado de la envuelta tengan un angulo de helice diferente del de los deflectores 50 proximos a la salida 48 del lado de la envuelta. El angulo de helice de los deflectores puede determinarse, por ejemplo, por "desenrollamiento" de la helice, formando una representacion bidimensional del patron helicoidal. Como se ilustra en la figura 2 para el deflector 50a, el angulo de la helice se determinana entonces como el arcotangente de la circunferencia C de la envuelta dividida por el paso p (distancia longitudinal recorrida por un arco de deflector que se extiende en 360°). El paso es igual a:
p = C*tg(P);
en donde p es el angulo de la helice. Por tanto, el angulo de helice p es igual a arctg (p/C).
Como se ilustra, el intercambiador de calor 30 esta equipado con deflectores helicoidales 50 orientados en sentido vertical. Los deflectores 50 proximos a la entrada 46 del lado de la envuelta tienen un angulo de helice a. Los
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deflectores 50 proximos a la salida 48 del lado de la envuelta tienen un angulo de helice p con respecto al eje longitudinal A-A de la envuelta 44. Asp por ejemplo, para una corriente de alimentacion de dos fases en vaporizacion del lado de la envuelta que entra por la entrada 46 del lado de la envuelta, los deflectores 50 proximos a la entrada 46 estan dispuestos bajo un pequeno angulo de helice a; es decir, estan mas cercanos a la perpendicular con respecto al eje A-A que los deflectores 50 proximos a la salida 48 del lado de la envuelta, que tienen un angulo de helice p, en donde se espera que el intercambiador de calor sea de gas/gas a un flujo volumetrico mas alto del lado de la envuelta, tal como debido a evaporacion, combustion y/o calentamiento del fluido del lado de la envuelta. Un bajo angulo de helice a puede hacer asf que el flujo de entrada de dos fases forme remolino en una trayectoria helicoidal a una velocidad suficiente para evitar una separacion de fases. Debido a que el fluido del lado de la envuelta es gas/gas cerca de la salida 48, se puede utilizar un angulo de helice p mayor que el angulo de helice a, dando asf como resultado una cafda de presion mas baja que cuando se utiliza un angulo a a lo largo de toda la longitud de la envuelta 44.
En algunas realizaciones los deflectores situados entre la entrada 46 y la salida 48 de fluido del lado de la envuelta pueden tener un angulo de helice y comprendido entre los angulos de helice a, p. Por ejemplo, para una alimentacion de entrada que incluya un vapor que debe condensarse dentro del intercambiador de calor, los angulo de helice de los deflectores 50 pueden aumentar gradualmente desde la entrada 46 hasta la salida 48. En otras realizaciones los angulos de helice para los deflectores 50 pueden sufrir uno o mas cambios escalonados.
Como se ha mencionado anteriormente, los intercambiadores de calor dotados de deflectores con un angulo de helice variado utilizados en procedimientos segun las realizaciones reveladas en esta memoria pueden ser utiles allf donde se espera un flujo de fluido de dos fases. Los angulos de helice mas bajos allf donde se espera un flujo de dos fases pueden proporcionar una mayor velocidad de la fase de vapor, evitando una separacion de fases en el lado de la envuelta. Los angulos de helice de los deflectores proximos a la entrada y la salida pueden ser una funcion de las densidades relativas de las dos fases, el tamano de partfculas o gotitas de los solidos y/o los lfquidos (relacionado con la velocidad de transporte de las partfculas o gotitas), las tasas de alimentacion tfpicas, las tasas de carga parcial o de alimentacion con reduccion de flujo, la subida de temperatura del fluido del lado de la envuelta y otras variables conocidas para los expertos en la materia.
Los intercambiadores de calor de alimentacion/efluente combinados verticales descritos en esta memoria pueden utilizar deflectores dotados de un angulo de helice aproximado dentro del intervalo de aproximadamente 5° a 45°, inclusive. Cualquier combinacion de los angulos de deflector a, p y y (si esta presente) que cree un angulo de helice apropiado puede ser utilizada de acuerdo con realizaciones reveladas en esta memoria.
Por ejemplo, en algunas realizaciones el angulo de helice a puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 5° a aproximadamente 45°; dentro del intervalo de aproximadamente 5° a aproximadamente 35° en otras realizaciones; y de aproximadamente 5° a aproximadamente 25° en otras realizaciones mas.
En otras realizaciones el angulo de deflector p puede estar dentro del intervalo de 15° a aproximadamente 45°; dentro del intervalo de aproximadamente 25° a aproximadamente 45° en otras realizaciones; y de aproximadamente 35° a aproximadamente 45° en otras realizaciones mas, con la condicion de que el angulo de deflector p sea mayor que el angulo de helice a.
Los intercambiadores de calor utilizados en procedimientos segun las realizaciones reveladas en esta memoria pueden utilizarse ventajosamente con fluidos del lado de la envuelta que tengan dos o mas fases. Ventajosamente, los intercambiadores de calor utilizados en los procedimientos segun las realizaciones reveladas en esta memoria pueden proporcionar una velocidad de flujo de fluido del lado de la envuelta para minimizar o evitar una separacion de fases de fluidos que pasen por la envuelta, tal como por tener deflectores con un pequeno angulo de helice en donde se espera un flujo de dos fases. Ademas, el uso de angulos de helice mas grandes en donde se espera un flujo de una sola fase puede proporcionar ventajosamente una menor cafda de presion que cuando se utiliza un angulo de helice constante en toda la envuelta. Asp en comparacion con procedimientos convencionales que utilizan intercambiadores de calor dotados de deflectores con un angulo de helice constante, los procedimientos que utilizan intercambiadores de calor segun realizaciones reveladas en esta memoria pueden mantener un flujo de fluido de dos fases incluso a niveles de caudal significativamente reducido, permitiendo asf ventajosamente un intervalo de caudales mas amplio.
Aunque el descubrimiento incluye un numero limitado de realizaciones, los expertos en la materia, que se beneficien de este descubrimiento, apreciaran que pueden idearse otras realizaciones.
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1. Un procedimiento de intercambio de calor con un fluido de fase mixta, comprendiendo el procedimiento: alimentara un intercambiador de calor (30) un fluido de fase mixta que comprende un vapor y al menos uno de entre unlfquido arrastrado y un solido arrastrado, comprendiendo el intercambiador de calor (30): una envuelta (44) que tiene5 una entrada de fluido (46) y una salida de fluido (48); intercambiar indirectamente calor entre el fluido de fase mixta y un medio de intercambio de calor; caracterizado por que el intercambiador de calor comprende una pluralidad de deflectores (50) montados en la envuelta (44) para guiar el fluido segun un patron de flujo helicoidal a traves de la envuelta (44); convertir el fluido de fase mixta en esencialmente todo vapor; en donde un angulo de helice a de un deflector proximo a la entrada de fluido (46) mantiene una velocidad del fluido de fase mixta mayor que una 10 velocidad terminal de lfquido o solido arrastrado; y en donde un angulo de helice p de un deflector proximo a la salida de fluido (48) es mayor que el angulo de helice a del deflector proximo a la entrada de fluido (46).
- 2. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la conversion comprende evaporar el lfquido arrastrado.
- 3. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la conversion comprende quemar el solido arrastrado.
- 4. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que el angulo de helice a esta dentro del intervalo de 15 aproximadamente 5° a aproximadamente 35°, y en el que el angulo de helice p esta dentro del intervalo deaproximadamente 15° a aproximadamente 45°.
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